KR102107559B1 - 고처리량 ｘ선 토포그래피 측정을 위한 다중 소스/탐지기의 사용 - Google Patents

고처리량 ｘ선 토포그래피 측정을 위한 다중 소스/탐지기의 사용 Download PDF

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Abstract

X선 토포그래피 장치는 소스 어셈블리, 탐지기 어셈블리, 스캐닝 어셈블리, 및 프로세서를 포함한다. 소스 어셈블리는 샘플 상의 복수의 각각의 구역을 조사하도록 복수의 X선 빔을 지향시키도록 구성되어 있는데, 이 구역들은 샘플의 제1 축을 따라 서로 부분적으로 중첩되고 제1 축에 수직인 샘플의 제2 축을 따라 서로에 어긋나 있다. 탐지기 어셈블리는 샘플로부터 회절된 X선 빔을 탐지하고 탐지된 X선 빔에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하도록 구성되어 있다. 스캐닝 어셈블리는 샘플을 소스 어셈블리 및 탐지기 어셈블리에 대하여 제2 축을 따라 이동시키도록 구성되어 있다. 프로세서는 샘플이 이동되는 동안 탐지기 어셈블리에 의해 산출된 전기 신호를 처리하여 샘플 내의 결함을 식별하도록 구성되어 있다.

Description

고처리량 Ｘ선 토포그래피 측정을 위한 다중 소스/탐지기의 사용{USING MULTIPLE SOURCES/DETECTORS FOR HIGH-THROUGHPUT X-RAY TOPOGRAPHY MEASUREMENT}
본 발명은 일반적으로 X선 분석에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 복수의 X선 빔을 이용한 X선 분석 방법 및 시스템에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼와 같은 마이크로 전자 샘플은 선적, 취급 또는 생산 과정에서 손상될 수 있다. 예를 들어, 기계적 손상은 웨이퍼의 결정 구조에 결함을 야기할 수 있다. 결정 결함을 탐지하는 다양한 방법들이 개발되어 왔다.
예를 들어, 본 명세서에 참조로서 통합된 미국특허 제6,782,076호는 실리콘 웨이퍼와 같은 샘플의 제한된 영역에 충돌하는 X선의 빔을 산출하는 X선 발생기를 포함하는 X선 토포그래픽 시스템(topographic system)을 서술한다. 샘플을 통과하는 투과 또는 샘플로부터의 반사 후 회절된 빔을 인터셉트하고 X선이 충돌한 영역의 디지털 이미지를 산출하기 위해, 솔리드 스테이트 탐지기가 설치된다. 샘플과 X선 발생기 사이의 상대적인 스텝핑 모션(stepping motion)은 서로 결합되는 일련의 디지털 이미지들을 산출한다. 선택적인 실시예에서, 이미지 중복을 피하기 위해 평행 빔을 산출하도록 X선 광학부재가 개재되거나, 이미지 중복의 효과는 소프트웨어에 의해 제거된다.
본 명세서에 참조로서 통합된 미국특허 제8,503,611호는 선형 X선이 스캔되는(scanned) 샘플로부터 회절된 X선이 X선 탐지기에 의해 탐지되어, 평면 회절 이미지를 획득하는 X선 토포그래피 장치를 서술한다. X선 탐지기는 원통 형상의 이미징 플레이트(imaging plate)이고, 샘플보다 더 큰 표면적을 가지고, 이 이미징 플레이트는 선형 X선의 스캐닝 이동과 협력하여 원통 형상의 중심축을 중심으로 하는 α-회전을 겪도록 만들어져 있다. 원통 형상의 중심축은 선형 X선의 스캐닝 이동 방향에 대하여 직각인 방향으로 뻗어 있다.
본 명세서에 참조로서 통합된 미국특허 제8,781,070호는 결정 재료를 포함하고 제1 및 제2 면을 가지는 디스크의 검사를 위한 장치를 서술한다. 이 장치는 X선의 빔을 디스크의 제1면 영역 상에 도달하게끔 방향 조절하도록 구성되어 있는 X선 소스를 포함한다. 반사 모드로 디스크의 제1면 영역으로부터 회절된 X선을 수신하고, 그것의 입력 이미지를 형성하기 위해 X선 탐지기가 설치된다. 모션 어셈블리는 그 영역이 디스크의 가장자리 부근에서 원주 경로를 따라 스캔 되도록, X선 소스 및 탐지기에 대하여 디스크를 회전시키도록 구성되어 있다. 프로세서는 원주 경로를 따라 X선 탐지기에 의해 형성된 입력 이미지를 프로세싱하여 디스크의 가장자리를 따른 결함을 지시하는 합성 출력 이미지를 생성하도록 구성되어 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예는 소스 어셈블리, 탐지기 어셈블리, 스캐닝 어셈블리, 및 프로세서를 포함하는 X선 토포그래피 장치를 제공한다. 소스 어셈블리는 샘플 상의 복수의 각각의 구역을 조사하도록 복수의 X선 빔을 지향시키도록 구성되어 있는데, 이러한 구역들은 샘플의 제1 축을 따라 서로 부분적으로 중첩되고, 제1 축에 수직인 샘플의 제2 축을 따라 서로 어긋나(offset) 있다. 탐지기 어셈블리는 샘플로부터 회절된 X선 빔을 탐지하고 탐지된 X선 빔에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하도록 구성되어 있다. 스캐닝 어셈블리는 제2 축을 따라 소스 어셈블리 및 탐지기 어셈블리에 대하여 샘플을 이동시키도록 구성되어 있다. 프로세서는 샘플이 이동되는 동안 탐지기 어셈블리에 의해 산출되는 전기 신호를 처리함으로써 샘플 내의 결함을 식별하도록 구성되어 있다.
몇몇 실시예에서, 이 장치는 소스 어셈블리와 샘플 사이에 위치하는 각각의 슬릿을 포함하고, 조사되는 구역이 직방형이 되도록 하기 위해 복수의 X선 빔을 직방형 단면으로 형성하도록 구성되어 있다. 다른 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 상이한 X선 빔의 탐지간 간섭(interference)을 방지하도록 구성된 X선 실드(X-ray shield)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 스캐닝 어셈블리는 스캐닝 동안 샘플을 기계적으로 지지하도록 구성된 하나 이상의 클램프를 포함하고, 이 클램프는 X선이 클램프로부터 탐지기 어셈블리를 향해 산란되는 것을 차단하도록 구성된 각각의 실드를 포함한다.
하나의 실시예에서, 소스 어셈블리는 2 이상의 X선 소스를 포함한다. 다른 실시예에서, 2 이상의 X선 소스는 엇갈림식 구성(staggered configuration)으로 장착되어 있어, 샘플의 제1 축을 따라 부분적으로 중첩되고 샘플의 제2 축을 따라 서로에 대하여 어긋나 있는 구역을 산출한다. 또 다른 실시예에서, 소스 어셈블리는 X선 빔을 산출하도록 구성된 X선 소스를 적어도 포함하고, 이 장치는 X선 빔을 복수의 X선 빔으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터를 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 샘플의 제1 축을 따라 부분적으로 중첩되고, 샘플의 제2 축을 따라 서로 어긋나 있는 구역으로부터 회절된 X선 빔을 탐지하기 위한, 엇갈림식 구성으로 장착된 2 이상의 탐지기를 포함한다. 다른 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 적어도 하나의 탐지기를 포함하고, 프로세서는 샘플 상의 각각의 구역으로부터 회절된 X선 빔에 대응하는 적어도 하나의 관심 구역을 적어도 하나의 탐지기 상에 형성하도록 구성되어 있다.
게다가, 본 발명의 하나의 실시예에 다른, X선 토폴로지 방법이 제공되는데, 이 방법은 소스 어셈블리를 이용하여 복수의 X선 빔을 샘플 상의 복수의 구역을 조사하도록 지향시키는 단계를 포함하고, 이러한 구역들은 샘플의 제1 축을 따라 서로 부분적으로 중첩되고 제1 축에 수직인 샘플의 제2 축을 따라 서로 어긋나 있다. 샘플로부터 회절된 X선 빔은 탐지기 어셈블리에 의해 탐지되고, 각각의 전기 신호는 X선 빔의 탐지에 응답하여 탐지기 어셈블리에 의해 산출된다. 샘플은 스캐닝 어셈블리를 이용하여 소스 어셈블리 및 탐지기 어셈블리에 대하여 제2 축을 따라 이동된다. 샘플 내 결함은 샘플이 이동되는 되는 탐지기 어셈블리에 의해 산출되는 전기 신호를 처리함으로써 식별된다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 아래의 본 발명의 실시예의 상세한 설명을 통해 더 완전히 이해될 것이다.
도 1 및 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른, X선 회절 이미징(XRDI) 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, X선 회절 이미징(XRDI) 시스템의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 웨이퍼의 스캐닝 스킴의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탐지기 어셈블리의 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 다른 실딩을 가진 샘플 클램프의 개략적인 도면이다.
(개요)
X선 토포그래피라고도 알려진 X선 회절 이미징(XRDI)은 웨이퍼로부터 회절된 X선의 강도 분석을 기초로 하여 결정 웨이퍼 내의 결함을 탐지하는데 사용될 수 있다. 종래의 XRDI 시스템에서, X선 소스는 X선의 빔을 웨이퍼의 일면의 한 영역 상에 도달하도록 지향시킨다. 웨이퍼의 타면에 적절한 각도로 설치된 X선 탐지기는 웨이퍼를 통과하고 조사된 영역으로부터 회절된 X선을 수신하여 그 영역의 회절 이미지를 형성한다. 전형적으로, 이러한 소스 및 탐지기는 탐지기가 (실질적으로 웨이퍼의 표면에 수직인) 수직 결정 평면으로부터의 라우에 회절을 수신하도록 선택되는 동등한 앙각(elevation angle)으로 대칭적으로 설치된다. 대안으로서, 다른 각도 배치가 다른 결정 평면으로부터의 라우에 회절을 이미지화하기 위해 사용될 수 있다. 조사된 영역에 결함이 없을 때, X선은 희망의 결정 평면으로부터 균일하게 회절한다. 조사된 영역 내의 결함은 전형적으로 피시험 영역 내의 결정 평면 내의 왜곡으로 인한 회절 강도의 변화로 나타나거나, 결함없는 결정으로부터의 강도에 대비되는 증가 또는 감소로서 나타난다.
이러한 왜곡은 웨이퍼 벌크(bulk) 내에 존재할 수 있는 (마이크로) 크랙, 변위(dislocations), 침전물(precipitates), 및 슬립 밴드(slip-bands)와 같은 상이한 타입의 결함에 의해 발생된다. 광학식 검사 시스템은 전형적으로 샘플의 표면을 탐색(probe)하도록 구성되어 있을 뿐, 이러한 부류의 결함을 탐지 및 측정할 수 없다. 한편, XRDI 기술은 고해상도의 이미징 및 더욱 철저한 웨이퍼 벌크 체크를 제공한다. 그러나, X선 토포그래피는 큰 웨이퍼를 측정하기 위해 요구되는 큰 사이즈의 장치 및 전형적으로 느린 측정으로 인해 결정 결함 검사용으로 반도체 산업에서 많이 채택되지는 못했다.
여기 서술된 본 발명의 실시예들은 복수의 X선 빔을 이용하여 X선 토포그래피의 고처리량 측정을 위한 향상된 방법 및 시스템을 제공한다. 개시된 실시예에서, XRDI 시스템은 복수의 동시의 X선 빔을 이용하여 이동하는 샘플(예컨대, 웨이퍼)의 큰 면적을 검사한다. 이 시스템은 복수의 X선 빔으로 샘플을 조사하는 소스 어셈블리 및 회절된 빔을 탐지하는 탐지기 어셈블리를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 소스 어셈블리는 단일 X선 소스를 포함할 수 있는데, 이 때 소스로부터의 빔은 복수의 빔으로 분할된다. 다른 실시예에서, 소스 어셈블리는 복수의 X선 소스를 포함하고, 각각의 소스는 하나 이상의 빔을 산출할 수 있다.
아래의 설명에서, 샘플이 소스 및 탐지기 어셈블리에 대하여 이동될 때 따르는 축을 X축이라 한다. X축에 수식인 샘플 평면의 축을 Y축이라 한다. 개시된 실시예에서, 소스 어셈블리는 X선 빔을 샘플의 상이한(예컨대, 인접한) 구역에 도달하도록 지향시키도록 구성되는데, 이 때 인접한 X선 빔은 조사되는 구역이 X선을 따라 서로 어긋나고 Y축을 따라 서로 중첩되도록 위치조절된다.
몇몇 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 소스 어셈블리에 대하여 웨이퍼의 반대면에 설치되고, 전형적으로 투과 지오메트리(transmission geometry)로 웨이퍼로부터 회절된 X선 빔을 탐지하도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 단일 탐지기를 포함한다. 다른 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 전형적으로 그들의 대응하는 소스에 대하여 대칭 구성으로 배치된 복수의 탐지기를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 각각의 빔은 X선 소스 어셈블리와 웨이퍼 사이에 위치하는 각각의 슬릿을 통과하여, 웨이퍼 상에 도달하는 선형 형상의 빔(예컨대, 길고 좁은 직사각형 단면을 가진 빔)을 발생시킨다. 스캐닝 어셈블리(예컨대, 스캐닝 스테이지)는 웨이퍼를 지지하고, 선형 X선 빔으로 웨이퍼를 조사하기 위해 그리고 그로 인해 각각의 대응하는 탐지기에 의해 탐지된 X선의 줄무늬를 생성하기 위해 X선 소스 및 탐지기 어셈블리에 대하여 웨이퍼를 이동시키도록 구성되어 있다.
소스 및 탐지기 어셈블리의 이러한 스캐닝 스킴 및 구성을 적용함으로써, 인접한 X선 빔은 전형적으로 서로 간섭하지 않도록 하기 위해 탐지기의 엇갈림식 패턴 배열을 이용하여 스캐닝 방향을 따라 중첩된 줄무늬를 커버할 것이다. 하나의 실시예에서, 프로세서는 탐지기로부터의 전기 신호를 수신하여, 스캐닝된 줄무늬를 스티치(stitch)하기 위해 신호를 분석하고 웨이퍼 내의 가능한 결함을 나타내는 합성 출력 이미지를 생성하도록 구성되어 있다.
몇몇 경우에, X선 소스로부터의 떠돌이 X선 빔은 시스템 내에 포함된 재료들로부터 산란될 수 있고, 웨이퍼로부터 회절된 관심 신호를 간섭할 수 있다. 복수의 X선 빔의 사용은 이러한 바람직하지 않은 X선 방사의 양을 증가시킬 수 있다. 탐지기 어셈블리 내 복수의 탐지기의 경우에, 탐지기 어셈블리는 각각 적절한 탐지기로 회절된 X선을 보내고, 잘못 산란된 X선 방사선을 차단하도록 구성된 실드를 포함할 수 있다.
전형적으로, 스캐닝 스테이지는 스캐닝 동안 샘플을 기계적으로 지지하는 클램프를 포함한다. 하나의 실시예에서, 클램프는 클램프로부터 탐지기를 향해 산란될 수 있는 X선을 차단하기 위해 차폐된다.
개시된 기술은 중첩하는 줄무늬를 커버하고, 동시에 인접한 빔 간의 혼선(cross-talk)(즉, 다른 탐지기를 위한 것으로 의도된 소스로부터 탐지기 내로의 X선의 원치 안는 산란)을 제거하는 복수의 X선 빔을 이용하는 고처리량 XRDI 검사를 제공한다. 개시된 기술은 전체 웨이퍼의 효율적인 스캐닝을 가능하게 할 수 있고, 이를 통해 웨이퍼의 벌크로부터 결정 결함과 같은 숨겨진 결함을 탐지하고 아마도 제거함으로써 반도체 장치의 품질 및 신뢰성을 향상시키는데 사용될 수 있다.
(시스템 설명)
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 X선 회절 이미징(XRDI) 시스템(20)의 개략적인 측면도이다. 시스템(20)의 특징은 앞서 언급한 미국특허 제8,781,070호에 상세하게 서술되어 있다. 시스템(20)은, 예컨대, 아래에 서술된 방법들을 이용하여, 아마도 제조시 발생된 웨이퍼의 결정 구조의 결점을 식별하기 위해, 반도체 웨이퍼(22)(또는 임의의 다른 적절한 샘플)을 검사하도록 배열되어 있다. 용어 "샘플" 및 "웨이퍼"는 본 명세서에서 상호 치환 가능하게 사용된다.
시스템(20)은 전형적으로, 예컨대, 하나의 PSU(26)가 하나의 튜브(예컨대, 튜브(25A))에 전력을 공급하는 식으로 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적절한 구성으로 하나 이상의 고전압 파워 서플라이 유닛(PSU)(26)에 의해 구동되는 단일 여기 소스 또는 (도 2에 도시된) X선 튜브(25A-25D)와 같은 복수의 여기 소스를 포함할 수 있는 소스 어셈블리(24)를 포함한다. 예를 들어, 4개의 튜브(25A-25D)는 어셈블리(24)와 웨이퍼(22) 사이의 거리가 1미터 미만일 때 전체 300mm 웨이퍼를 조명하기 위해 사용될 수 있다. 450mm 웨이퍼를 검사할 때, 어셈블리(24) 내 튜브의 개수는, 예컨대, 6개로 증가될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 어셈블리(24) 내 튜브의 타입은 저전력 마이크로포커스 타입(100W 미만의 파워에서 100μm 미만의 스폿 크기), 또는 중전력 노멀 포커스 튜브(2-3kW에서 전형적으로 1mm 스폿 크기)일 수 있다. 다른 실시예에서, 어셈블리(24)는 액체 금속 제트 튜브와 같은 하나 이상의 고전력 마이크로포커스 튜브(2-3kW에서 전형적으로 50-100μm 스폿 크기) 또는 임의의 대안의 적절한 튜브를 포함할 수 있다. 어셈블리(24) 내의 각각의 튜브는 전형적으로 몰리브덴으로 만들어지고 웨이퍼(22)를 투과할 수 있는 X선을 산출하기 위해 50kV로 동작하는 애노드를 포함한다. 대안으로서, 응용에 따라 은과 같은 다른 애노드 재료가 사용될 수도 있다. 어셈블리(24) 내의 각각의 튜브는 (도시되지 않은) X선 광학부재로 적절한 에너지 범위 및 파워 플럭스(power flux)를 가진 X선을 방출한다. 각각의 튜브에 대하여, 연결된 모터구동식 슬릿(30)은 튜브로부터의 빔(28)을 길고 좁은 직사각형의 단면을 가지도록 성형하도록 조절되어 있다. 슬릿(30)은 X선에 불투명한 재료로 이루어진다. 슬릿(30)의 위치 및 크기가 X선 빔 발산 및 공간적 범위를 적절하게 조절하기 위해 조절될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 시스템(20)은 특정 애플리케이션에서 시스템 해상도를 증가시키기 위해 X선 빔의 인/아웃의 시준 크리스탈(도시되지 않음)을 자동 스위칭하기 위한, 튜브 및 샘플(도시되지 않음) 사이에 설치된, 컴퓨터 제어식 기계 어셈블리를 포함한다. 시준 크리스탈을 통과한 빔(28)은 실질적으로 평행한 단파장(monochromatic)의 빔을 산출하지만, X선 빔의 강도가 감소된다. 이러한 크리스탈의 사용은 수동 개입없이 고강도 모드와 저잡음 모드 간의 스위칭을 가능하게 하기 위해 온 오프 스위칭될 수 있다. 이러한 기능은 기판 제조자에 의해 샘플의 품질 측정값으로서 사용될 수 있는 동일한 시스템에 대한 고해상도 로킹 곡선(rocking curve)을 제공하는 옵션을 가능하게 한다. X선 튜브, 슬릿, 및 선택적인 크리스탈 어셈블리는 웨이퍼 표면(도시되지 않음)에 중심을 가진 회전축을 가지는 모터 구동식 회전 스테이지(42)(지정된 소스 스테이지) 상에 장착된다. 스테이지(42)는 적절한 제어 소프트웨어를 실행하는 범용 컴퓨터를 포함할 수 있는 프로세싱 유닛(38)에 의해 제어된다.
스테이지(42)는 웨이퍼(22)의 결정 구조의 상이한 회절 평면을 검사하기 위해 빔(28)을 샘플 표면에 대하여 희망의 각도로 조절하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 스테이지(42)는 웨이퍼의 국부적 변형을 보상하기 위해, 측정 전에 선택된 회절 평면 부근에서의 입사각 미세 조절을 위해 사용될 수 있다. 시준 크리스탈이 어셈블리(24)와 웨이퍼(22) 사이에 삽입된 경우에, 스테이지(42)는 웨이퍼를 가로지르는 긴 범위의 회절 각도 변화를 일으키는 웨이퍼 변형의 경우에도 시준된 빔의 회절 조건을 유지하도록 구성된다.
하나의 실시예에서, 웨이퍼(22)는 샘플을 X선 빔에 대하여 X 및 Y 방향으로 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 샘플의 표면에 수직인 축을 중심으로 하는 방위각 회전, φ을 적용할 수 있는 X-Y-φ 스테이지(40)와 같은, 이동 가능한 플랫폼 상에 장착된다. 일반성을 잃지 않으면서, 용어 "X 방향" 및 "X 축"은 스캔 방향, 즉, 웨이퍼(22)가 스캐닝될 때 따르는 축을 의미한다. 용어 "Y 방향" 및 "Y 축"은 도 3에 상세하게 도시된 바와 같은 스캔 방향에 수직인 웨이퍼 평면 상의 축을 의미한다.
빔 높이가 웨이퍼 직경의 상당 부분에 걸쳐 있거나, 또는 아마도 전체 웨이퍼 또는 그 이상에 걸쳐 있으므로, 하나의 선형 축(Y)이 메인 스캐닝 축(X)에 비해 범위가 감소되거나 또는 완전히 제거될 수 있다. 이동 스테이지(40)는, 예컨대, 적절한 이동 제어 소프트웨어(도시되지 않음)를 실행하는 프로세서에 의해 제어될 수 있는, 스텝퍼 모터, 서보 모터, 또는 이들의 몇몇 조합에 의해 제어될 수 있다. 웨이퍼는 일련의 작은 이산 스텝(스텝 스캐닝)으로, 또는 일정한 속도로(연속 스캐닝) X 축을 따라 이동될 수 있다.
탐지기 어셈블리(32)는 웨이퍼(22)로부터 회절된 X선을 탐지하도록 구성되어 있다. X선에 불투명한 재료로 만들어진 빔 스토퍼(44)는 웨이퍼(22)와 탐지기 어셈블리(32) 사이에 위치하고, 직접적으로 투과된 빔이 어셈블리(32)를 조명하는 것을 차단하도록 구성되어 있다. 게다가, 어셈블리(32)의 제1 탐지기(예컨대, 아래의 도 3에 도시된 탐지기(33A))는 어셈블리(24)의 대응하는 제1 튜브(예컨대, 튜브(25A))로부터 회절된 방사선만 수신해야 한다. 빔 스토퍼(44)는 튜브(25B)와 같은 인접한 제2 X선 튜브로부터의 떠돌이 방사선으로 인하여 바람직하지 않은 회절된 빔이 탐지기(33A)를 조명하는 것을 차단하도록 구성되어 있다.
탐지기(33A-33D)는 갭없이 웨이퍼를 커버하기 위해 (도 3 및 5에 도시된) 각각의 탐지기 사이에 중첩된 부분을 가지는 엇갈림식 패턴으로 배열된다. 어셈블리(32) 내의 각각의 탐지기는 웨이퍼의 표면에 대한 탐지기 위치의 함수인 라우에 지오메트리에 따라, 웨이퍼(22)를 통해 회절된 X선을 측정하도록 조절되어 있는 2차원(2D) 위치 감응 X선 카메라이다. 몇몇 실시예에서, 탐지기 어셈블리(32)는 스텝 스캐닝의 경우에 X선 감응 신틸레이터 스크린을 특징으로 하는 하나 이상의 전하 연결 소자(CCD) 또는 상보성 금속산화막 반도체(CMOS: complimentary metal-oxide semiconductor) 카메라를 포함할 수 있다. 연속 스캐닝 중과 같은 다른 실시예에서, 하마마츠 포토닉스(일본)에 의해 또는 텔레다인 달사(캐나다 온타리오 워털루)에 의해 제조되는 것과 같은 하나 이상의 시간 지연 및 통합(TDI) X선 카메라가 고속 스캐닝에서의 신호대잡음비(SNR)를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
리뷰 탐지기(46)는 전형적으로 X선 감응형 CCD 또는 CMOS 탐지기이다. 탐지기(46)는 전형적으로 광학적 결함 탐지 장치로부터 공급되는 좌표와 같은, 몇몇 외부 입력으로부터, 또는 고처리량에서 X선 검사를 통해 위치를 찾을 수 있는 결정 결함의 선택된 영역을 높은 공간 해상도, 예컨대, 10㎛로 이미지화하기 위해 사용된다.
게다가, 이 시스템은 웨이퍼 상의 내비게이션을 위해, 또는 표면 결함의 시각적 검사를 위해 광학 현미경(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
샘플의 조사되는 영역은 회절된 X선을 방출하는데, 이는 하나의 탐지기에 의해 포착된다. 포착된 X선에 응답하여, 탐지기는 전기 신호를 발생시키고, 이는 신호 처리 유닛(38)으로 전달된다. 유닛(38)은 전기 신호를 처리하도록 구성된 프로세서(34)(이는 아래에 더 상세하게 설명된다), 및 전기 신호를 탐지기 어셈블리(32)로부터 프로세서(34)로 보내기 위한 인터페이스(36)를 포함한다.
프로세서(34)는 탐지기로부터 데이터를 획득하고 탐지기에 의해 포착된 X선 광자의 회절 강도 이미지를 판정하도록 구성되어 있다. 프로세서(34)는 전형적으로 적절한 소프트웨어의 제어 하에서 이러한 기능을 수행하는 범용 컴포넌트를 포함한다. 소프트웨어는 탐지기 제어, 데이터 획득 및 데이터 분석을 위해 구성되어 있고, 전자적 형태로 네트워크 상으로 프로세서로 다운로드될 수 있고, 또는 예컨대, 소프트웨어는 광학적, 자기적, 또는 전자적 메모리 매체와 같은 유형 매체 상에 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 다른 XRDI 측정 시스템(20)의 개략적인 측면도이다. 도 2의 측면도는 도 1에 도시된 측면도와는 직교한다.
4개의 튜브(25A-25D)는 중첩 부분을 커버하는 X선 빔을 산출하도록 엇갈림식 패턴으로 배열된다. 예를 들어, 4개의 튜브는 두 쌍으로 배열될 수 있는데, 이들 쌍 사이에 어긋남(offset)이 존재한다. 튜브(25A 및 25C)는 도 2에 제공된 평면 앞쪽에 있는 한 쌍을 나타내고, 튜브(25B 및 25D)는 도 2의 평면 뒤쪽에 위치하는 제2 쌍을 나타낸다. 이러한 배열은 도 3에서 3차원으로 볼 수 있다. 빔(28)은 직사각형 단면을 가지도록 슬릿(30)에 의해 형성된다. 직사각형 단면의 장축은 도 2에 도시되어 있고, 단축은 도 1에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 XRDI 측정 시스템(20)의 개략적인 도면이다. 도 3은 상기 도 1 및 2에 도시된 시스템의 3차원 도면이다. 4개의 튜브(25A-25D)는 X 방향으로 오프셋을 가지고, Y 방향으로 나란하도록 배열되어 있다. 몇몇 실시예에서, 4개의 대응 탐지기(33A-33D)는 각각의 탐지기가 자신의 대응하는 튜브와 마주보는 것과 유사한 방식으로 배열된다. 대안의 실시예에서, 탐지기 어셈블리는 프로세서(34)에 의해 한정된 시각적 관심 부분을 포함하는 단일 탐지기와 같이, 웨이퍼(22)로부터의 모든 회절된 X선을 탐지할 수 있고, 혼선을 제거할 수 있는, 임의의 적절한 개수의 탐지기를 포함할 수 있다.
스테이지(40)가 웨이퍼(22)를 따라 X 방향으로 이동할 때, 탐지기의 엇갈림식 패턴 배열로 인해, 인접한 빔(28)에 의해 조사되는 구역 사이에 실제적인 중첩이 발생한다. 이러한 특성은 도 4에 도시되어 있다. 웨이퍼(22)는 전형적으로 3개의 이동 테이블, 예컨대, X축을 위한 하부 테이블, Y축을 위한 중간 플레이트, 및 회전축을 위한 상부 플레이트를 포함하는 스테이지(40) 상으로 핸들링 로봇(도시되지 않음)에 의해 옮겨진다. 이 세 플레이트는 모두 빔(28)이 웨이퍼(22)의 하면에 도달하는 것을 허용하기 위해 사실상 프레임이다(중앙에 재료가 없다). 상부 플레이트는 도 6에 도시된 바와 같이 웨이퍼(22)에 대한 기계적 지지를 제공하기 위한 클램프(48)를 포함한다.
각각의 X선 튜브(24)는 X선 빔(28)을 방출하는데, 이는 웨이퍼(22)를 통과하고 검사 받는 선택된 결정 평면으로부터 회절되어, 웨이퍼(22)의 상면으로부터 빔 스토퍼(44)를 통해 대응하는 탐지기로 간다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 웨이퍼(22)를 스캐닝하기 위해 사용될 수 있는 스캐닝 스킴의 개략적인 도면이다. 상술한 바와 같이, 튜브(25A-25D)는 X 방향으로 어긋나 있고 Y 방향으로 중첩된 두 쌍으로 배열된다. 튜브(25A-25D)는 각각 슬릿(30)에 의해 성형된 X선 빔을 방출하여, 웨이퍼 표면 상에 직사각형 구역(31A-31D)을 조사한다. 4개의 X선 빔은 웨이퍼(22)로부터 어셈블리(32) 내의 각각의 탐지기를 향해 회절된다.
이러한 구성은 스캔 중 오버랩을 허용하지만, 주어진 시간에 웨이퍼(22) 상의 주어진 포인트로부터의 방사선이 적절한 탐지기에 의해서만 탐지됨을 보장한다. 즉, 인접한 탐지기들은 동일한 시간에 웨이퍼 상의 동일 포인트로부터 XRDI 신호를 수집하지 않는다. 예를 들어, 웨이퍼가 X 축을 따라 스캐닝 될 때, 조사되는 구역(31A 및 31B)은 각각 회절 줄무늬(27A 및 27B)를 형성한다. 중첩 영역(29)이 양 줄무늬(27A 및 27B) 모두에 포함되어, 먼저 구역(31B)에 의해 한번, 그 후 구역(31A)에 의해 한번씩, 상이한 시간에 두번 스캐닝된다.
예컨대, 이러한 시간 및 공간의 오프셋은 소프트웨어 프로그램에 의해 관리되는데, 이러한 소프트웨어 프로그램은 튜브와 그 각각의 탐지기의 각각의 조합에 대한 회절 줄무늬의 공간 내 위치를 기초로 하는 이미지를 만들도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 이러한 이미지 작성은 전체 웨이퍼에 걸친 측정을 완료한 후에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 카메라로부터의 이미지는 각각의 줄무늬가 "온더플라이 스티칭(on-the-fly stitching)" 기술을 이용하여 카메라에 의해 수집되도록 구성될 수 있다. 이러한 접근법을 이용하여, 전체 웨이퍼는 웨이퍼를 가로지르는 1회 스윕(sweep)을 통해 이미지화될 수 있다.
X선 튜브와 탐지기 간의 간섭 및 산란된 X선
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탐지기 어셈블리(32)의 개략적인 도면이다. 4개의 탐지기(33A-33D)는 X 방향으로 어긋나 있고 Y 방향으로 중첩된 2쌍으로 배열된다. 한 쌍은 탐지기(33A 및 33C)이고, 다른 쌍은 탐지기(33B 및 33D)이다. 웨이퍼 스캐닝 동안, 빔은 웨이퍼(22)로부터 그들 각각의 탐지기를 향해 회절되어 회절 줄무늬를 형성한다. 탐지기 출력 신호는 프로세서(34) 상에서 실행되는 소프트웨어에 의해 처리되어, 일부 또는 모든 줄무늬로부터 하나의 이미지가 만들어진다. 예를 들어, 튜브(25A)는 슬릿(30)에 의해 성형되고 웨이퍼(22) 상에 출돌하는 구역(31A)을 만든다. 탐지기(33B)는 웨이퍼(22)로부터 회절된 구역(31B)을 수신하고, 프로세서(34)는 줄무늬(27B)를 생성한다. 동일한 플로우가 모든 튜브 및 탐지기에서 수행되고, 모든 출력 줄무늬(그리고 오버랩(29)과 같은 오버랩)는 프로세서(34)에 의해 처리되어, 웨이퍼(22) 상의 가능한 결함을 나타내는 하나의 이미지를 생성한다.
X선 빔은 전형적으로 다파장(polychromatic)이므로, 웨이퍼(22)의 조명되는 부분으로부터 임의의 방향으로 회절될 수 있다. 주어진 탐지기로 어드레스되는 회절된 빔은 또한 추가적인 "방해선(nuisance line)" 및 강도 변화를 포함하는 이미지 열화를 일으킬 수 있는 간섭으로서 인접한 탐지기에 의해서 탐지될 수 있다. 게다가, 빔과 시스템(20)의 다양한 엘리먼트 간의 상호작용은 산란된 X선 방사선을 만들 수 있는데, 이는 웨이퍼로부터 산란된 관심 신호를 간섭할 수 있다. 복수의 X선 튜브의 사용은 인접한 튜브로부터 방출되는 또는 시스템(20)의 엘리먼트들로부터 산란되는 원치 않는 X선 방사선의 양을 증가시킬 수 있다. 이러한 혼선으로부터 보호하는 수단이 여기 서술된다.
몇몇 실시예에서, 실드(43, 45 및 47)는 간섭하는 소스로부터 발생된 혼선 방사선을 차단하기 위해 탐지기 어셈블리(32)에 부착된다. 이러한 실드는 전형적으로 X선에 불투명한 재료로 만들어진다. 예를 들어, 실드(45)는 탐지기(33A와 33C) 사이에 놓여져, 튜브(25A)와 탐지기(33C) 및 튜브(25C)와 탐지기(33A) 사이의 혼선을 차단한다. 실드(43)는 두 쌍의 탐지기 사이에 위치하여, 예컨대, 튜브(25D)와 탐지기(33C) 사이의 혼선 방사선을 차단한다. 이와 유사하게, 실드(47)는, 예컨대, 튜브(25B)와 탐지기(33D) 사이의 가능한 혼선을 차단한다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 웨이퍼(22)를 위치조절하기 위한 크램핑 액세서리의 개략적인 도면이다. 측정 프로세스 동안, 결함 및 결함의 위치를 정확하게 탐지하기 위해, 웨이퍼(22)는 어셈블리(24 및 32)에 대하여 정확한 위치로 유지되어야 한다. 스테이지(40)의 상부 플레이트는 전형적으로 스테이지가 스캐닝 중 이동하는 동안 웨이퍼(22)를 스테이지(40) 상에 고정 유지하도록 구성된 클램프(48)를 포함한다.
웨이퍼(22)가 복수의 빔에 의해 투과 지오메트리에서 측정될 때, 하나 이상의 빔은 클램프(48)를 포함하는 재료와 상호작용할 수 있다. 클램프는 웨이퍼로부터 산란되는 관심 신호를 간섭할 수 있는 떠돌이 X선 방사선을 산란시킬 수 있고, 이로 인해 측정 품질을 나쁘게 할 수 있다.
몇몇 실시예에서, X선 불투과 재료로 만들어진 실딩(50)의 미로 배열이 클램프(48) 둘레에 제공되어 입사 X선 방사선에 전체 웨이퍼의 노출을 가능하게 하고 또한 지지 클램프로부터의 산란이 이미지 내에 나타나는 것을 방지한다. 다른 실시예에서, 클램프는 X선 불투과 재료를 포함할 수 있고, 또 다른 실시예에서, 클램프로부터 산란된 X선 방사선을 상당히 줄이도록 하는 클램프의 기계적 형상 및 크기가 선택될 수 있다.
도 1 내지 도 6의 예는 X선 시스템(20)의 특정 구성을 나타낸다. 그러나, 이러한 구성은 순전히 개념적 명료함을 고려하여 선택된 것이다. 대안의 실시예에서, 개시된 기술은 임의의 적절한 여기 소스, 파워 서플라이, 포커싱 광학부재, 및 탐지 시스템을 포함하는 다양한 다른 타입의 XRDI 시스템 또는 분석 모듈에서 필요한 부분만 수정하여(mutatis mutandis) 사용될 수 있다. 예를 들어, 소스 어셈블리는 빔을 복수의 X선 빔으로 분할하는 빔 스플리터로 단일 X선 빔을 방출하는 단일 소스를 포함할 수 있다. 복수의 소스 및 복수의 탐지기의 경우에, 소스 및 탐지기의 개수가 다양할 수 있다. 더욱이, 단일 소스가 복수의 탐지기에 연결될 수도 있고, 단일 탐지기가 복수의 소스에 연결될 수도 있다.
상술된 실시예들이 예시의 방법으로 인용된 것이며, 아래의 청구항이 앞서 특별하게 도시되고 서술된 것으로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 그보다는, 범위는 상술된 다양한 특징의 조합 및 하위조합 뿐만 아니라, 종래기술에 개시되지 않았던 상기 설명을 읽은 당업자들에게 발생할 수 있는 변형 및 수정을 포함한다. 본 특허출원에 참조로서 통합된 문서들은 임의의 용어들이 본 명세서 내에서 명백하게 또는 함축적으로 만들어진 정의와 충돌하는 방식으로 이들 통합된 문서 내에서 정의되어 있는 경우에 본 명세서 내의 정의만이 고려되어야 한다는 점을 제외하면, 본 출원의 일체로 된 부분으로 간주되어야 한다.

Claims (18)

  1. 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치로서,
    사전 결정된 스캐닝 방향에 대하여, (i) 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 (ii) 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 복수의 X선 소스를 포함하는 소스 어셈블리로서, 상기 X선 소스는 (i) 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 충접하고 그리고 (ii) 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 복수의 각각의 구역을, 샘플의 제 1 표면 상에서, 조사하기 위해 복수의 X선 빔 각각을 지향시키도록 구성된 것인, 상기 소스 어셈블리;
    (i) 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 (ii) 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대하여 어긋나 있는 복수의 X선 탐지기를 포함하는 탐지기 어셈블리로서, 상기 X선 탐지기는 상기 X선 소스에 의해 지향되고 상기 제 1 표면에서 상기 샘플로 들어가고 상기 샘플을 통과하는 동안 회절되고 상기 제 1 표면의 반대편의 제 2 표면에서 상기 샘플을 빠져나오는 상기 X선 빔 각각을 검출하도록, 및 검출된 X선 빔에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하도록 구성된 것인, 상기 탐지기 어셈블리;
    상기 스캐닝 방향을 따라 상기 소스 어셈블리 및 상기 탐지기 어셈블리에 대하여 상기 샘플을 이동시키도록 구성된 스캐닝 어셈블리; 및
    상기 샘플이 이동되는 동안 상기 탐지기 어셈블리에 의해 만들어진, 상기 전기 신호로부터 회절된 X선 강도 이미지를 생성함으로써 그리고 상기 회절된 X선 강도 이미지 내에서 결함 없는 결정에 대한 변화를 탐지함으로써 상기 샘플 내의 결함을 식별하도록 구성된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소스 어셈블리와 상기 샘플 사이에 위치하고 조사되는 구역이 직사각형이 되도록 상기 복수의 X선 빔을 직사각형 단면을 가지게 형성하도록 구성된 각각의 슬릿들을 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탐지기 어셈블리는 상이한 X선 빔들의 검출 간의 간섭을 방지하도록 구성된 X선 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐닝 어셈블리는 스캐닝 동안 상기 샘플을 기계적으로 지지하도록 구성된 하나 이상의 클램프를 포함하고, 상기 클램프는 X선들이 상기 클램프로부터 상기 탐지기 어셈블리를 향해 산란되는 것을 차단하도록 구성된 각각의 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 X선 소스는 엇갈림식 구성으로 설치되어 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 부분적으로 중첩하고 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 구역을 만들어내는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 X선 탐지기는 엇갈림식 구성으로 설치되어 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 부분적으로 중첩하고 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 구역으로부터 회절된 X선 빔을 탐지하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 샘플 상의 각각의 구역들로부터 회절된 X선 빔에 대응하는 하나 이상의 관심 구역을 상기 X선 탐지기 중 적어도 하나 상에 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 장치.
  8. 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법으로서,
    사전 결정된 스캐닝 방향에 대하여 (i) 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 (ii) 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 복수의 X선 소스를 포함하는 소스 어셈블리를 이용하여, (i) 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 (ii) 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 샘플의 제 1 표면의 복수의 각각의 구역 상에 복수의 X선 빔 각각을 조사하도록, 복수의 X선 빔들을 지향하는 단계;
    (i) 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 (ii) 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 복수의 X선 탐지기를 포함하는 탐지기 어셈블리를 이용하여, 상기 X선 소스에 의해 지향되고, 상기 제 1 표면에서 상기 샘플로 들어가고, 상기 샘플을 통과하는 동안 회절되고 그리고 상기 제 1 표면의 반대편의 제 2 표면에서 상기 샘플을 빠져나오는 각각의 X선 빔들을 검출하고, 상기 탐지기 어셈블리에 의해 상기 X선 빔의 검출에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하는 단계;
    스캐닝 어셈블리를 이용하여, 상기 스캐닝 방향을 따라 상기 소스 어셈블리 및 상기 탐지기 어셈블리에 대하여 상기 샘플을 이동시키는 단계; 및
    상기 샘플이 이동되는 동안 상기 탐지기 어셈블리에 의해 산출된, 상기 전기 신호로부터 회절된 X선 강도 이미지를 생성하고 회절된 X선 강도 이미지 내에서 결함없는 결정에 대한 변화를 탐지함으로써 상기 샘플 내 결함을 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 복수의 X선 빔을 지향시키는 단계는 조사되는 구역이 직사각형이 되도록 하기 위해 상기 소스 어셈블리와 상기 샘플 사이에 위치하는 각각의 슬릿을 통해 X선 빔을 통과시킴으로써 상기 복수의 X선 빔을 직사각형 단면을 가지게 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 X선 빔을 탐지하는 단계는 X선 실드를 이용하여 상이한 X선 빔들의 검출 간의 간섭을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 샘플을 이동시키는 단계는 클램프를 이용하여 스캐닝 동안 상기 샘플을 기계적으로 지지하는 단계를 포함하고, 상기 클램프에 적용되는 각각의 실드를 이용하여 상기 클램프로부터 상기 탐지기 어셈블리를 향해 산란되는 X선을 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 X선 빔을 지향시키는 단계는 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 구역들을 만들어내기 위해 상기 소스 어셈블리 내의 상기 X선 소스를 엇갈림식 구성으로 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 X선 빔을 지향시키는 단계는 상기 스캐닝 방향과 직교하는 축을 따라 서로 부분적으로 중첩하고 그리고 상기 스캐닝 방향을 따라 서로에 대해 어긋나 있는 구역들로부터 회절된 X선 빔을 검출하기 위해 상기 탐지기 어셈블리 상에 상기 X선 탐지기를 엇갈림식 구성으로 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 X선 빔을 검출하는 단계는 상기 샘플 상의 각각의 구역들로부터 회절된 X선 빔에 대응하는 하나 이상의 관심 구역을 상기 X선 탐지기 중 적어도 하나 상에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중첩된 X선 회절 이미징을 위한 방법.
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